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L’ambiente celeste L’astronomia, la scienza che studia i corpi celesti, ha origini antiche. In India l’osservazione del cielo era praticata già nel III millennio a.C., in Cina e in Mesopotamia nel I millennio. Inizialmente gli astronomi svilupparono l’astronomia descrittiva e si dedicarono principalmente alla determinazione della posizionee alla previsione dei movimenti degli astri. In questo campo vennero raggiunti già dai Greci risultati talvolta sorprendentemente accurati, considerati i limiti degli strumenti disponibili. La ricerca delle cause di tali movimenti ebbe inizio solo nel XVI secolo, grazie agli studi di Keplero, Galileo e Newton. L’astronomia ha raggiunto il suo massimo sviluppo nel XX secolo: accanto agli studi della meccanica celeste sono sorte nuove branche di ricerca: l’astrofisica, che applica le leggi fisiche allo studio dei corpi celesti; la cosmologia, che studia l’origine e l’evoluzione dell’universo; la cosmogonia, che si occupa dell’origine e dell’evoluzione delle strutture che costituiscono l’attuale universo (galassie, sistemi planetari, ecc..).
La posizione della Terra nell’Universo Nell’antichità si pensava che la Terra si trovasse al centro dell’Universo e che avesse natura diversa dagli altri corpi, i quali venivano considerati eterni e immutabili. Oggi sappiamo che l’Universo, inteso come la regione di spazio e di tempo accessibile alle nostre osservazioni, ha avuto un inizio: esso si modifica, non solo nella composizione, ma anche nelle dimensioni. Sappiamo che le stelle sono fatte di materia, nascono, si evolvono e si spengono, e sappiamo che le particolari caratteristiche del nostro pianeta dipendono dal luogo, dal modo e dal tempo in cui si è formato. La Terra è un pianeta del Sistema Solare.
La posizione della Terra nell’Universo Il Sistema Solare è l’insieme dei corpi che risentono in modo apprezzabile dell’attrazione gravitazionale del Sole. Il Sole è una stella, cioè un corpo celeste di grande massa che produce luce e altre radiazioni elettromagnetiche. Intorno ad esso si muovono otto pianeti, corpi opachi e relativamente freddi che non sono in grado di produrre luce. Essi percorrono traiettorie ellittiche intorno al Sole e ruotano su se stessi. Il moto di un pianeta intorno al proprio asse è detto moto di rotazione, mentre il moto intorno al Sole è detto moto di rivoluzione. La distanza media della Terra dal Sole è di circa 150 000 000 km. Intorno alla Terra si muove un satellite: la Luna. Nel Sistema Solare molti altri pianeti possiedono uno o più satelliti, corpi opachi, di dimensioni variabili, legati per attrazione gravitazionale a un pianeta intorno a cui compiono una rivoluzione. Tutti i satelliti del Sistema Solare, come i pianeti, ruotano su se stessi.
La posizione della Terra nell’Universo Le dimensioni del Sistema Solare sono molto ridotte rispetto allo spazio circostante, che è popolato da un gran numero di stelle. Tra il Sole e le stelle più vicine ci sono distanze considerevoli, perciò un immenso spazio ci separa dagli altri sistemi stellari. Le stelle hanno una massa enorme e, pur essendo distanti l’una dall’altra, ciascuna risente dell’attrazione gravitazionale delle stelle circostanti: per questo esse non sono isolate, ma raggruppate in sistemi, detti galassie. Nelle galassie, le stelle si muovono compiendo una lenta rivoluzione intorno al centro della galassia. Il Sole appartiene a una galassia, la Via Lattea, che contiene centinaia di miliardi di stelle. Il Sistema Solare si muove intorno al centro della galassia, compiendo una rivoluzione in circa 225 milioni di anni.
La sfera celeste e le costellazioni Se in una notte serena guardiamo il cielo da un qualsiasi luogo della Terra, esso ci appare come una grande cupola cosparsa di innumerevoli punti più o meno luminosi. Abbiamo così l’impressione di trovarci sempre al centro di una sfera cava, di raggio infinito, detta sfera celeste, sulla cui superficie sono disposti i corpi celesti. La sfera celeste non esiste realmente: i corpi celesti non si trovano tutti alla medesima distanza dalla Terra, ma lo sguardo non riesce a percepire e a misurare tali distanze.
La sfera celeste e le costellazioni Nonostante questo limite, la sfera celeste costituisce un valido artificio, un modello matematico utile per rappresentare e studiare la disposizione dei vari corpi celesti che circondano la Terra. In base alla diversa natura è possibile distinguere vari tipi di corpi celesti: stelle, galassie, pianeti, satelliti. Lo spazio tra gli astri appare vuoto, anche se è costituito in realtà da un gas di particelle molto rarefatte o da polveri, la materia interstellare.
La sfera celeste e le costellazioni Non tutte le stelle sono ugualmente brillanti e le più visibili sembrano delineare sulla volta buia figure particolari, la cui forma, ovviamente, è tale solo per un osservatore posto sulla superficie terrestre, mentre cambierebbe se ci si ponesse da un’altra prospettiva. Queste figure immaginarie sono dette costellazioni. In virtù della lontananza, le stelle di una costellazione ci appaiono vicine le une alle altre, anche se nella realtà sono disposte nello spazio a distanze molto diverse e non sono vincolate in alcun modo tra loro; esse hanno storie, età e origine differenti. Nonostante siano associazioni fittizie, le costellazioni sono lo strumento migliore per orientarsi; esse infatti non si modificano sostanzialmente nel tempo, perché l’enorme distanza non ci consente di percepire in modo significativo i moti reali delle stelle.
La sfera celeste e le costellazioni La consuetudine di suddividere la volta celeste in settori, immaginando su di essa figure di esseri umani, animali, eroi, è molto antica ed è legata alla tradizione mitologica: Cinesi, Egizi, Greci vedevano rappresentate nel cielo storie e miti differenti, perciò avevano costellazioni diverse. Il catalogo delle costellazioni, introdotto nel 1930 dall’Unione Astronomi Internazionale, riprende in massima parte il modello greco e il catalogo di Tolomeo (almagesto), nel quale erano elencate 48 costellazioni visibili sulla porzione di sfera celeste osservabile dal bacino del Mediterraneo. Il catalogo di Tolomeo fu completato tra il XVI e il XVIII secolo, quando le esplorazioni geografiche portarono alla scoperta delle regioni dell’emisfero australe.
La sfera celeste e le costellazioni Oggi gli astronomi distinguono nel cielo ben 88 costellazioni, di cui ci si serve per dividere la sfera celeste in settori. All’interno delle costellazioni, le stelle vengono indicate con una lettera greca (in ordine alfabetico secondo la luminosità), seguita dal nome della costellazione. Le stelle più brillanti conservano nomi tradizionali: Antares, Arturo, Sirio, Betelgeuse, Rigel, Vega. Dodici delle 88 costellazioni costituiscono le cosiddette costellazioni delle Zodiaco.
Gli elementi di riferimento sulla sfera celeste Per stabilire la posizione esatta di un astro è utile costruire sulla sfera celeste un sistema di riferimento che abbia un valore universale, indipendente cioè dalla posizione dell’osservatore. I due elementi di riferimento fondamentali sono l’asse del mondo e l’equatore celeste. L’asse del mondo è la linea ideale che si ottiene prolungando all’infinito l’asse di rotazione della Terra; esso interseca la sfera celeste in corrispondenza di due punti, denominati polo nord celeste e polo sud celeste. Il polo nord celeste attualmente si trova in prossimità della Stella Polare, nella costellazione dell’Orsa Minore. Il polo sud celeste si trova nella costellazione dell’Ottante, vicino alla stella s Oct (una stella poco brillante e difficilmente osservabile). Il piano dell’equatore terrestre è perpendicolare all’asse del mondo e passa per il centro della sfera celeste. Se immaginiamo di prolungare questo piano fino ad intersecare la superficie della sfera celeste, otteniamo un circolo, dettoequatore celeste.
Gli elementi di riferimento sulla sfera celeste L’equatore celeste divide la sfera celeste in un emisfero settentrionale o boreale, e un emisfero meridionale o australe. Come sulla Terra, è possibile immaginare sulla superficie della sfera celeste un reticolo, formato da paralleli e meridiani. I paralleli celesti sono circoli paralleli all’equatore, i meridiani celesti sono i semicerchi che uniscono polo nord e polo sud celesti. Il parallelo celeste fondamentale è l’equatore, mentre il meridiano celeste fondamentale è quello che passa per il punto γ, il punto della sfera celeste in cui si trova il Sole nell’equinozio di primavera, mentre il punto diametralmente opposto è detto punto ω.
Gli elementi di riferimento sulla sfera celeste Dalla posizione dell’osservatore dipende invece la prospettiva con cui si osserva la sfera celeste. Gli elementi di riferimento in questo caso sono la verticale e il piano dell’orizzonte astronomico. La verticale è la retta immaginaria che passa per il punto in cui si trova l’osservatore e per il centro della Terra. Essa interseca la sfera celeste in due punti: lo zenit, sopra la testa dell’osservatore, e il nadir, sotto i piedi dell’osservatore. Il piano dell’orizzonte celeste è il piano passante per il centro della sfera celeste e perpendicolare alla verticale del luogo. Esso interseca la sfera celeste secondo una circonferenza, che prende il nome di orizzonte astronomico del luogo. La posizione dello zenit e del piano dell’orizzonte astronomico variano secondo la latitudine dell’osservatore: il piano dell’orizzonte di un osservatore al polo nord coincide con il piano dell’equatore, mentre il piano dell’orizzonte di un osservatore all’equatore passa per l’asse terrestre.
Gli elementi di riferimento sulla sfera celeste Il piano dell’orizzonte celeste, comunque sia inclinato rispetto all’asse del mondo, divide la sfera celeste in due semisfere: quella superiore visibile, che contiene lo zenit, e quella inferiore non visibile, che contiene il nadir. In pratica, ogni osservatore può vedere in ogni istante solo metà della sfera celeste, anche se la porzione visibile varia a seconda della latitudine a cui si trova. Sulla superficie della sfera, i circoli massimi passanti per zenit e nadir sono detti circoli verticali. Di questi il più importante è il circolo che passa anche per i poli celesti: il meridiano locale. Sull’orizzonte, inoltre, è possibile identificare quattro punti cardinali: l’est e l’ovest sono i punti in cui l’equatore celeste interseca il piano dell’orizzonte; il nord e il sud sono i punti in cui il circolo meridiano locale interseca l’orizzonte, ognuno nella direzione del corrispondente polo.
Gli elementi di riferimento sulla sfera celeste Poiché la Terra con buona approssimazione può essere considerata di forma sferica, ogni osservatore ha sempre l’impressione di trovarsi al centro di un piano delimitato da una linea circolare che sembra separare la Terra, o il mare, dal cielo. Questa linea è detta linea dell’orizzonte, o orizzonte visivo(a), e delimita la porzione della superficie terrestre che si può vedere. Man mano che l’osservatore sale di quota, l’orizzonte visivo si espande. Poiché l’orizzonte visivo può variare anche nello stesso luogo, in funzione della quota, per la definizione della posizione di un punto sulla superficie terrestre si preferisce utilizzare come riferimento il piano dell’orizzonte apparente(b), cioè il piano tangente alla superficie terrestre nel punto in cui si trova l’osservatore. Poiché le dimensioni della Terra sono molto piccole rispetto alle distanze che ci separano dai corpi celesti, in astronomia ci si riferisce al piano dell’orizzonte astronomico (c), cioè al piano passante per il centro della Terra, parallelo al piano dell’osservatore visivo.
Le coordinate astronomiche Indipendentemente dal sistema di riferimento adottato, la posizione di un corpo celeste è nota se sono noti due angoli, che vengono chiamati coordinate astronomiche. Esistono due sistemi di coordinate astronomiche. Il sistema di coordinate che prende come riferimento l’orizzonte e la verticale del luogo è detto sistema delle coordinate altazimutali. Le coordinate altazimutali definiscono la posizione di un astro dalla misura di due angoli, l’altezza e l’azimut. L’altezza (h) è la distanza angolare di un astro dal piano dell’orizzonte. Essa corrisponde all’angolo compreso tra il segmento che unisce il centro del piano dell’osservatore all’astro e il piano dell’orizzonte. Varia da 0º (sul piano dell’orizzonte) a +90º (allo zenit) a -90º (al nadir). L’azimut (a) è l’angolo compreso tra il piano del circolo verticale passante per l’astro e il piano del meridiano locale. Si misura sull’orizzonte astronomico dell’osservatore, partendo dal punto cardinale sud e procedendo in senso orario. Le coordinate altazimutali variano durante il giorno a causa dei movimenti della sfera celeste. Nel medesimo istante, inoltre, sono diverse da luogo a luogo in relazione alla latitudine dell’osservatore.
Le coordinate astronomiche Il sistema di coordinate che prende come riferimento l’equatore celeste e l’asse del mondo è detto sistema delle coordinate equatoriali. Le coordinate equatoriali definiscono la posizione dell’astro dalla misura di due angoli, la declinazione e l’ascensione retta. La declinazione (δ) è la distanza angolare di un astro dall’equatore celeste. La declinazione è positiva nell’emisfero boreale, negativa nell’emisfero australe. I punti posti sull’equatore celeste hanno declinazione 0º ; il polo nord e il polo sud celesti hanno rispettivamente declinazione +90º e -90º. La declinazione quindi varia dal +90º a -90º. L’ascensione retta (α) è l’angolo compreso tra il piano del meridiano celeste passante per l’astro e il piano del meridiano fondamentale. Tale angolo si misura in senso antiorario, partendo dal meridiano fondamentale. In genere si esprime in ore, minuti e secondi, tenendo presente che ogni 4 min la volta celeste si sposta di circa 1º. Il sistema delle coordinate equatoriali è indipendente dalla posizione dell’osservatore, perciò viene utilizzato per la costruzione delle mappe del cielo.
